1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Неорганические материалы
  4. T. 59, № 10, 2023

Неорганические материалы, 2023, T. 59, № 10, стр. 1177-1184

Исследование фазового состава и биосовместимости покрытий на титановом сплаве Ti–6Al–5V, полученных в результате диффузионного насыщения кислородом, азотом и углеродом

М. Ф. Венде 1, 2, М. Ю. Семенов 2, Б. Е. Винтайкин 2, А. Е. Смирнов 2, *, В. А. Ельчанинова 2, Ю. И. Виноградов 2

1 АФК “Система”
125009 Москва, ул. Моховая, 13, стр. 1, Россия

2 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
105005 Москва, ул. 2-я Бауманская, 5, стр. 1, Россия

* E-mail: smirnoff@bmstu.ru

Поступила в редакцию 08.11.2022
После доработки 23.10.2023
Принята к публикации 23.10.2023

Аннотация

Титановый сплав Ti–6Al–5V подвергали поверхностному насыщению углеродом, азотом и кислородом для исследования влияния поверхностного модифицирования на его износостойкость и биосовместимость. Насыщение углеродом и азотом осуществляли в атмосферах низкого давления. Оксидирование выполняли путем нагрева образцов в твердом карбюризаторе. Структуру и фазовое состояние полученных слоев исследовали методами оптической микроскопии и рентгенофазового анализа. Общие закономерности насыщения титанового сплава неметаллами состоят в образовании диффузионного слоя при увеличении количества фаз на основе твердого раствора α-Ti с последующим формированием на поверхности сплошного слоя таких промежуточных фаз, как карбиды, нитриды и оксиды различной стехиометрии. После насыщения на поверхности получены тонкие слои из карбидов, нитридов и оксидов, под которыми сформированы диффузионные слои. Твердость азотированных и оксидированных поверхностей составила 950–1000 HV, а насыщенных углеродом – 570 HV. Установлена минимальная износостойкость образцов без обработки и максимальная после оксидирования. Биосовместимость определяли по пролиферации остеоподобных клеток линии MG63 (proliferation of osteoblast-like cells of the MG63 line). Наилучшую биосовместимость продемонстрировали оксидированные образцы. При этом биосовместимость азотированных образцов лучше, чем науглероженных. Наименьшую биосовместимость наблюдали на необработанных образцах.

Ключевые слова: химико-термическая обработка, азотирование, оксидирование, биосовместимость покрытий, износостойкость, титановые сплавы, диффузионное насыщение

Список литературы

  1. Li Y., Yang C., Zhao H., Qu S., Li X. New Developments of Ti-Based Alloys for Biomedical Applications // Materials. 2014. V. 7. № 3. P. 1709–1800. https://doi.org/10.3390/ma7031709

  2. Kyzioł K., Kaczmarek Ł., Brzezinka G., Kyzioł A. Structure, Characterization and Cytotoxicity Study on Plasma Surface Modified Ti–6Al–4V and γ-TiAl Alloys // Chem. Eng. J. 2014. V. 240. P. 516–526. https://doi.org/10.1016/j.phytochem.2012.12.001

  3. Guleryuz H., Cimenoglu H. Oxidation of Ti–6Al–4V Alloy // J. Alloys Compd. 2009. V. 472. № 1–2. P. 241–246. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.04.024

  4. Rodriguez G.M., Bowen J., Zelzer M., Stamboulis A. Selective Modification of Ti6Al4V Surfaces for Biomedical Applications // RSC Adv. 2020. V. 10. № 30. P. 17642–17652. https://doi.org/10.1039/C9RA11000C

  5. López-Huerta F., Cervantes B., González O., Hernández-Torres J., García-González L., Vega R., Soto E. et al. Biocompatibility and Surface Properties of TiO2 thin Films Deposited by DC Magnetron Sputtering // Materials. 2014. V. 7. № 6. P. 4105–4117. https://doi.org/10.3390/ma7064105

  6. Козлов Д.А., Тихонова С.А., Евдокимов П.В., Путляев В.И., Гаршев А.В. Стереолитографическая 3D-печать из суспензий, содержащих диоксид титана // Журн. неорган. химии. 2020. Т. 65. № 12. С. 1721–1728. https://doi.org/10.31857/S0044457X20120090

  7. Ramos-Corella K.J., Sotelo-Lerma M., Gil-Salido A.A., Rubio-Pino J.L., Auciello O., Quevedo-López M.A. Controlling Crystalline Phase of TiO2 Thin Films to Evaluate its Biocompatibility // Mater. Technol. 2019. V. 34. № 8. P. 455-462. https://doi.org/10.1080/10667857.2019.1576821

  8. Skvortsova S., Orlov A., Valyano G., Spektor V., Mamontova N. Wear Resistance of Ti–6Al–4V Alloy Ball Heads for Use in Implants // J. Funct. Biomater. 2021. V. 12. № 4. P. 65. https://doi.org/10.3390/jfb12040065

  9. Januszewicz B., Klimek L. Nitriding of Titanium and Ti6Al4V Alloy in Ammonia Gas under Low Pressure // Mater. Sci. Technol. 2010. V. 26. № 5. P. 586–590. https://doi.org/10.1179/174328409X448501

  10. Duta L., Stan G.E., Popa A.C., Husanu M.A., Moga S., Socol M., Mihailescu I.N. et al. Thickness Influence on in Vitro Biocompatibility of Titanium Nitride Thin Films Synthesized by Pulsed Laser Deposition // Materials. 2016. V. 9. № 1. P. 38. https://doi.org/10.3390/ma9010038

  11. Banaszek K., Klimek L., Zgorzynska E., Swarzynska A., Walczewska A. Cytotoxicity of Titanium Carbonitride Coatings for Prostodontic Alloys with Different Amounts of Carbon and Nitrogen // Biomed. Mater. 2018. V. 13. № 4. P. 045003. https://doi.org/10.1088/1748-605X/aab942

  12. Banaszek K., Klimek L., Dąbrowski J.R., Jastrzębski W. Fretting Wear in Orthodontic and Prosthetic Alloys with Ti(C, N) Coatings // Processes. 2019. V. 7. № 12. P. 874. https://doi.org/10.3390/pr7120874

  13. Seval’nev G.S., Seval’neva T.G., Kolmakov A.G., Dul’nev K.V., Yazvitskii M.Yu. Effect of the Phase Composition of Austenitic–Martensitic VNS9-Sh TRIP Steel on the Characteristics of Dry Sliding Friction in the Tribocontact with ShKh15 Steel // Russ.Metall. (Met.). 2022. № 4. P. 404–410.https://doi.org/10.1134/S0036029522040267

  14. Гинье А. Рентгенография кристаллов. Теория и практика. М.: Физматгиз, 1961. 604 с.

  15. Венде М.Ф., Семенов М.Ю., Смирнов А.Е., Пучков Ю.А., Севальнёв Г.С., Виноградов Ю.И. Влияние азотирования и оксидирования на износостойкость и коррозионную стойкость титанового сплава, легированного цирконием // Металловедение и термическая обработка металлов. 2023. № 2(812). С. 21–28.

  16. Свойства, получение и применение тугоплавких соединений. Справочник / Под ред. Косолаповой Т.Я. М.: Металлургия, 1986. 927 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Неорганические материалы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал